【文章內容簡介】 ，在未來也必將發(fā)揮更為重要的作用。 1． 2 課題研究的目的和意義 每年我過的電動機的耗電量占了全國總耗電量的 60%，而這其中三相異步電動機又是耗電量最大的耗電大戶，由于經濟的發(fā)展迅速，人民群眾對于生活的水平也日漸提高，各種用電設備的使用，使得對電能的需求也越來越高，因此每一個電機設計者都應該義不容辭參與到高性能電機的開發(fā)中來。 20世紀 70年代初期出現(xiàn)一種新型永磁電機 —— 永磁同步電動機。由于永磁體具有高矯頑力和高磁能積，使得永磁同步電動機具有效率高、體積小、重量輕、特性好等諸多列優(yōu)點，成為了新型電機的重要的發(fā)展方向之一 [5]。永磁體釹鐵硼(NdFeB)的出現(xiàn)，其低廉的價格和優(yōu)越的磁性能，展示出了永磁同步電機廣闊的民用開發(fā)前景。 在民用中，國外已經有一些開始使用永磁同步電機代替原來的異步交流電機的領域，如很多電梯驅動用電電梯就已經使用永磁同步電機代替了原來的異步電機。沒有去龐大的齒輪箱而是將轎廂直接用曳引輪拖動，明顯的使系統(tǒng)的噪聲和震動減小了 [6]。特別值得一提的是取消了 齒輪箱，就沒有了復雜的潤滑系統(tǒng)，徹底的將漏油造成的環(huán)境污染解決了，真正的達到了環(huán)保要求，可減小電梯空間，省去機房，降低電梯成本。永磁同步電機研制成功，不但加快了電梯行業(yè)的前進步伐，還使電動機發(fā)展水平上了一個新的臺階。 1． 永磁同步電機調速技術的發(fā)展概況 由于直流電機具有效率高、性能好、速度快等許多優(yōu)點，所以從其誕生之日起，就一直受到人們的關注，并廣泛應用于工業(yè)和生活。然而，隨著不斷發(fā)展的生產技術，對設備的要求也越來越高，直流拖動許多的弊端逐漸顯露出來。直流電機由于換向器的問題，使維護的工作量增加， 單機容量、最大速度和使用的環(huán)境也受到了局限，因此人們開始研究運行穩(wěn)定可靠、結構簡單、維護方便、成本也比較低的異步電機。但是，電力電子器件的發(fā)展還比較落后，很多性能不能滿足交流電機調速技術的要求，因此，交流調速技術的發(fā)展是緩慢的。在相當長的時期內，直流電動機具有優(yōu)良的性能，其技術一直領先于交流調速， 70年代后期 以來，隨著電力電子技術和控制理論的迅速發(fā)展，交流調速系統(tǒng)的性能也得到了飛速的發(fā)展，性能可與直流調速系統(tǒng)相媲美，競爭。目前，交流調速已經慢慢地取代直流調速。 從十九年代起，人們開始研究同步電機的速 度控制問題。 1964德國學者率先把通信系統(tǒng)中的調制技術應用推廣到了變頻調速里面，并首先提出了用于交流傳動系統(tǒng)中的脈寬調制也就是 PWM技術。從根源上解決了方波逆變器中一直存在的問題。已經過去了四十多年，這項技術已經在工業(yè)生產過程中取得了巨大的經濟效益，并且在最基礎的調制原理上提出了規(guī)則采樣、自然采樣、低次諧波消去等優(yōu)化調制方法。 1969年，英國廣播公司成功研制了世界上第一臺 6400kw的交 交變頻同步電機傳動裝置。在 1971年德國的西門子的 ，它就廣泛的受到了人 們的關注，并在理論 [8]。應用等各個方面進行了深入的研究和討論。世界上第一臺 4220kw交 交變頻同步電機調速系統(tǒng)式 1981年由西門子公司研制的，并且最早用于礦井的提升機傳動。交流調速有很多的算法，但是最主流的為以下幾種： (1)正弦脈寬調制技術 SPWM。 SPWM法是為克服直流脈寬調制（ PWM）的缺點（其輸出電壓中含較大的諧波分量）而發(fā)展起來的。它從電動機的供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產生一個可調頻、調壓的三相正弦波電源。 SPWM在通用變頻器中日趨成熟，并且在高壓變頻器領域里面也占主導的地位。 (2)空間矢 量脈寬調制技術 SVPWM。 矢量控制是設法在普通的三相交流電機上模擬直流電機轉矩的控制的規(guī)律，我們在磁場的坐標上，通過矢量變換將三相交流電機的定子的電流分解，把他們分解為轉矩電流分量和勵磁電流分量，然后對兩個分量相互垂直，彼此之間相互獨立，然后在分別進行調節(jié)。 SVPWM覺有噪聲低、電流諧波少、轉矩脈動小等優(yōu)點，而且相對于常規(guī)的 SPWM直流電壓利用率能夠提高大約 15%。 1． 永磁同步電機國內外研究熱點 磁勢的計算、比較好的計算機仿真模型的建立、自動化仿真問題中的精度、算法、非線性的處理等等一直 都是永磁同步電機的的熱點研究問題。目前國內外對永磁同步電機的研究和設計主要集中于兩個方面： 1．結構設計和研究 永磁同步電機的永磁體具有很高的矯頑力，所以充磁方向非常薄的永磁鐵提供很高的磁勢赫爾氣隙磁密。因此，徑向磁路結構比較傳統(tǒng)的除外，當極數非常 少的時候，還可以采用混合結構或切向磁路的結構。國內外的永磁同步電動機轉子的研究形狀，提高功率效率和密度的準則都是磁通的增加、減弱電樞的應對或者高速的運行來實現(xiàn)的。 2．優(yōu)化設計 稀土材料的價格相當的昂貴，在這種情況下，如果將永磁體工作的的點選擇合適，使它在 能夠滿足電動機性能各項的指標這個前提下，使要用的材料最少，也就是要電機的成本還有體積最小。優(yōu)化設計都是用計算機來完成的，在設計之中，目標函數一般都是選擇永磁體的體積。由于永磁體的尺寸直接影響著電動機的各種指標，因而可以選擇永磁體的形狀和尺寸作為設計的變量，然后其他的尺寸都可以用這個變量表示。在所有的約定條件之中，定子齒部、電抗參數和軛部磁密、起動電流、定子電密以及槽滿率等都應限定在一定的范圍，而功率因素、效率和啟動轉矩等都要大于某一個給定的值。盡管國內外的永磁同步電機的研究設計已經做了大量的工作，但是到今天 為止，永磁同步電機在我們國家都還沒有得到全面的推廣。這是有很多原因的。其中一個就是永磁同步電機的成本高昂，但是這個問題隨著永磁材料的發(fā)展，永磁同步電機的成本必然降低，而且如何采用最適合的量完成永磁同步電機，是之成本下降已經成為了一個重點。此外，永磁同步電機之中的鐵損耗的計算也相當的復雜，如何準備的去分析、計算這是高性能的永磁同步電機的關鍵點。永磁同步電機的啟動過程研究和穩(wěn)定性研究一直是國內外專家們分析的焦點。隨著社會的發(fā)展，永磁同步電機顯的愈漸重要。 第二章 電梯的概述及 主要電氣設備 電梯的 概述 (1)人們對于電梯的速度要求越來越高，高速電梯的數量逐年增加。 (2)電梯的拖動技術已有較大的發(fā)展，由于直流電梯維修量大、能耗大等缺點。正逐漸的被交流電梯所取代，液壓電梯由于其機房位置靈活，運行平穩(wěn)，使得其在低樓層場合得到非常廣泛的應用。與此同時交流拖動電梯更是得到較迅速的發(fā)展，己由之前的變級調速發(fā)展成為調頻調壓調速及調壓調速，使得電梯的速度、加速度、加加速度控制更加滿足人們心理的預期要求，電梯的舒適度也得到極大地改善。 (3)電梯邏輯控制己由過去簡單的 繼電器 — 接觸器式控制發(fā)展為可編程序控制和微機控制，控制方式也由原有的信號控制、手柄控制發(fā)展為并聯(lián)控制、集選控制、群控等多種方式，電梯可靠性大大提高。 (4)電梯的管理功能不斷得到加強，以不斷滿足用戶的使用要求。如消防員專用、緊急停車操作、防搗亂系統(tǒng)等。 (5)智能群控管理得到更加廣泛應用。 (6)機械傳動方面，由于國際上機械加工工藝水平的不斷提高，使行星齒輪和斜齒傳動傳動在電梯上的應用普遍開來，使得電梯的傳動形式多樣化。 電梯的的控制部分主要電氣設備 電機是機械和電器一體 工作的大型的復雜產品，其中機械就相當于我們人的身軀，電器部分就相當于我們的神經，將機械和電器結合起來，就變成了我們現(xiàn)代科學的綜合產品 —— 電梯。就電梯的結構來說，比較傳統(tǒng)的分發(fā)是分為機械部分和電器部分，但是用功能系統(tǒng)來描述更加能夠反映電梯的特點，下面介紹一下電梯機械部分的結構： 曳引電動機 曳引電動機具有提升機構，由電磁制動器（也稱電磁抱閘）、驅動電動機、減速器及曳引輪組成。 自動門機 完成電梯的開門與關門：電梯的門有轎門（中有一個）和廳門（每層站一個）。只有電梯?？吭谀硨诱緯r，此層廳 門才允許開啟；同時也只有當廳門、轎門全部關閉時才允許啟動運行。 層樓指示 層樓指示又叫層顯，過去常由低壓燈泡構成，安裝在每層站廳和轎門的上方；現(xiàn)多由 LED 點陣結或數碼管構組成，與運行方向指示、呼梯盒做成一體結構。 呼梯盒 呼梯盒用以在每層召喚電梯。安裝在地面 1 米左右的墻面上。基站與頂站有一個按鈕，中間層站由上呼與下呼組成。按鈕帶有呼梯記憶燈，燈亮時表示呼梯號已被接收并被記憶；當電梯滿足呼梯要求而停層開門時，呼梯記憶燈熄滅。基站的呼梯盒上常帶有鑰匙開關，供電梯管理員開關電梯。 操縱箱 操縱箱安裝在轎廂內，供司機及乘客對電梯發(fā)布動作指令。操縱箱上沒有與電梯經層站數相同的內選層按鈕，上下層啟動按鈕，開關門按鈕，急停按鈕，電梯運行狀態(tài)選擇鑰匙開關，照明等控制開關。 平層及開門裝置 平層及開門裝置由磁鐵板和上、下平層感應器組成，上行時，上層首先插入隔磁鐵板，發(fā)出減速信號，電梯開始減速，至下層插入隔磁鐵板時，發(fā)出停車及開門信號，電機停轉，機械抱閘；下行時，下層首先插入隔磁鐵板，發(fā)出減速信號至上層插入隔磁鐵板時，發(fā)出停車及開門的信號。 停車裝置 電梯的井道內每層 站裝有一只磁鐵板，當轎廂運行到相應層站時，磁鐵板插入平層感應器內，以此檢測電梯所處位置和平層信號。 開關裝置 安全窗及其開關，安全鉗及其開關，上、下限位開關，上、下強迫停止開關，極限開關。 第三章 永磁同步電機數學模型分析 3． 1 永磁同步電機的結構簡介 電機是一種用來進行機械能和電能之間的互相轉換的電磁機械，而他們之間的能量的轉換主要依賴于電機轉子和定子之間的氣隙磁場。不同的建立磁場的方式就形成了不同類型的電機。而永磁同 步電機則由轉子、定子和端蓋等部件構成。永磁同步電機的轉子磁場由永磁體產生，定子磁場則是由三相交流或者多項交流電形成的?？梢园艳D子鐵心做成實心的，也可以是由硅鋼片疊壓型成功率。定子則是與普通的感應電機基本一樣，也采用硅鋼片疊壓結構，以減小電機運行時的鐵耗。圖 。電樞繞組可以采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組，也可以采用集中整距繞組。其中，采用分布式短距繞組，產生的是正弦波電動勢。采用整距繞組，產生梯形波反電動勢。圖 大大的減少繞組端部的均長，以此使電動機軸向長度 減小，讓電機排布更加合理，能夠讓電機的體積大幅度降低，而且使電氣損耗減小。想要讓電動機雜散損耗降低，定子繞組在大功率的永磁電機上基本都是用的星形接法。 圖 永磁同步電機截面示意圖 1—— 電子鐵心 2—— 定子繞組 3—— 轉軸 4—— 稀土材料永磁體 5—— 轉子鐵心 為使 為了讓轉子磁場與定子磁場它們是相對靜止的，定子的交流電頻率必須與轉子磁場的旋轉速度之間必須嚴格同步。因此轉子的旋轉速度必須完全是由定子轉子磁場極數和電源頻率決定。 圖 永磁同步電機掛極繞組的結構示意圖 3． 2 永磁同步電機的運行原理 永磁同步電機的調速系統(tǒng)中，最主要的問題是實現(xiàn)電動機的瞬時轉矩高性能控制。我們對于永磁電動機的要求可以歸納為：精度高、響應快、轉矩脈動小、系統(tǒng)功率因數和效率高等 [9]。從前面分析永磁同步電機的模型可以知道，通過對直軸電流和交軸電流的控制就可以實現(xiàn)對永磁同步電機的輸出轉矩實現(xiàn)控制。交、直軸電流不同組合，會影響控制系統(tǒng)的功率因數、效率和轉矩輸出能力等。怎樣根據所給轉矩來確定的直軸電流和交軸電流，其實就是對定子電 流矢量控制的問題。 矢量控制在實際上來說就是對電動機定子電流矢量幅值和相位的控制。當永磁體的交、直軸電感和勵磁磁鏈確定以后，電動機的的轉矩就由定子電流的空間矢量 is決定，而 id和 iq又決定了 is的相位和大小，也就是說控制電動機的轉矩就必須要控制 id和 iq。一定的轉矩和轉速對應于一定的 i* q和 i* d，通過這兩個電流的控制，使實際 iq和 id跟蹤指令值 i* q和 i* d，便實現(xiàn)了電動機轉速和轉矩的控制 [4]。由于實際上饋入電動機的電樞繞組的電流是三相交流電流 iA、 iB、 iC，因此，三相電流的指令值 i* A、 i* B、 i* C必須由下面的變換從 i* q和 i* d得到 )32s i n ()32s i n ()32()32(s i n32*****??????????????????????????????????????????iiiiiqdCBAC O SC O SC O S?????????? () 上式中，電動機非負載端軸伸上的位置、速度傳感器提供給了電動機轉子的位置信號θ。然后通過電流的控制環(huán)讓電動機輸入的三相相電流 iA、 iB、 iC和指令給我們的 i* A